研究背景
随着对可再生能源需求的不断增长，寻找高效、稳定的太阳能电池技术成为了科学家们的重要课题。其中，有机-无机混合金属卤化物钙钛矿材料被发现具有出色的光电转换性能，成为了太阳能电池领域的一个引人注目的新兴材料。这种材料构成的钙钛矿太阳能电池（PSCs）在短短的十年时间内取得了巨大的进步，其功率转换效率（PCE）迅速增长，为实现可持续能源转型提供了希望。钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种基于有机-无机混合金属卤化物钙钛矿材料的光电转换器件，具有高效的光电转换性能。然而，尽管PSCs表现出很高的潜力，但在实际应用中仍然存在一些挑战。其中之一是PSCs的结构设计，主要有两种结构：常规结构和倒置结构。这两种结构的选择对器件的性能和稳定性至关重要，因此成为了研究的重点之一。钙钛矿太阳能电池中的一个重要问题是在器件运行过程中出现的效率损失和稳定性问题。这些问题主要源于钙钛矿材料本身以及其与电荷传输层（CTLs）之间的界面相互作用。此外，常用的有机空穴传输层（HTL）在掺杂和氧化方面存在一些挑战，限制了器件的效率和稳定性。有鉴于此，美国（National Renewable Energy Laboratory）国家可再生能源实验室朱凯和蒋琦两个人在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“Rapid advances enabling high-performance inverted perovskite solar cells”的最新论文综述。科学家们进行了大量的研究工作。他们通过改进传输材料的选择和性能，优化钙钛矿材料的组成和制备方法，以及设计界面工程策略来提高PSCs的性能和稳定性。特别地，他们对倒置结构的p-i-n PSCs进行了深入研究，通过避免有害的掺杂和优化界面工程，显著提高了器件的稳定性和效率。
研究亮点
1.研究团队在2013年首次报道了p-i-n结构的PSCs，标志着该领域的重要里程碑。这种结构的引入为PSCs的发展开辟了新的道路，激发了后续研究的兴趣和活力。2.研究发现，相较于传统的TiO2层，SnO2 ETL不仅具有出色的电学和光学性能，而且可以在较低温度下制备，极大地提高了制备工艺的可行性和器件的再现性。3. 挑战和解决方案：CTLs对器件稳定性的影响：
- 掺杂和氧化要求的复杂性：常用的有机空穴传输层（HTLs）的掺杂和氧化要求复杂，影响了器件的稳定性和性能。
- 解决方案：添加剂工程和界面工程策略：研究人员通过添加剂工程和界面工程策略，改善了钙钛矿层的质量，增强了界面的稳定性，从而提高了整体器件的性能和稳定性。
4. 从首次报道的3.9%效率到2020年的超过22%的认证效率，p-i-n结构的PSCs经历了快速的效率提升，这得益于材料和界面强度方面的创新。5. p-i-n结构由于其较少的寄生吸收和易于与其他光伏技术集成的特点，成为高效率钙钛矿基串联太阳能电池的主流。未来的研究方向包括进一步提高器件的稳定性、优化互连层（ICLs）和透明顶部接触，以及探索更多的新材料和制备策略。
图文解读
图1: 钙钛矿太阳能电池的典型结构和器件效率进展。
图2:高效p–i–n钙钛矿太阳能电池的代表性电荷传输材料。
研究结论
本文揭示了钙钛矿太阳能电池（PSCs）在p-i-n结构方面的长足发展和关键技术进展。通过对器件结构的演变和关键材料的优化，PSCs的功率转换效率（PCE）已达到令人瞩目的水平，并且稳定性已通过多项国际标准测试。在优化器件的过程中，特别是在界面工程、传输材料的发展和太阳能电池结构的创新方面，科学家们不断探索新的策略和方法，以提高PSCs的性能和稳定性。此外，双面太阳能电池作为一种有效的提高效率和稳定性的新方向得到了探索，其充分利用环境光来增强光吸收和能量产量。这些研究为未来的PSCs技术发展提供了重要的启示，鼓励学术界和工业界的研究人员持续关注并投入到PSCs的进一步研究和开发中，以实现更高效、更稳定的太阳能电池技术，并推动可再生能源领域的进步。原文详情：Jiang, Q., Zhu, K. Rapid advances enabling high-performance inverted perovskite solar cells. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00678-x
